Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

газових агрегатів складає газотурбінна установка ГТГ-110, що відзначається найбільшою потужністю. Це відносно легка енергетична установка потужністю 110 МВт. Висока ефективність та великий ресурс роботи установки досягнуто завдяки використанню в ній зварних дисків турбіни, передньої цапфи, барабанів роторів та корпусів компресорів високого і низького тисків, деталей редукторів, жарових труб, камери згоряння та інших вузлів і деталей. Ескізи корпуса компресора та цапфи-диска енергетичної установки показано на рис.3.20 [145].

Корпус компресора являє собою товстостінну оболонку товщиною від 60 до 110 мм. Інші розміри показано на ескізі. Матеріал – сталь ЭП609, що містить близько 0,06С, 10,5Cr, 1,5Ni, десяті долі Cu, Mo, V, Si (%, мас.). Корпус складається з чотирьох відливок (див. рис.3.20,а), механічна обробка яких виконувалася за четвертим квалітетом точності. Кромки під зварювання оброблялися з чистотою Rа = 1,25.

а	б

Рис.3.20. Ескізи корпуса компресора (а) та передньої цапфи-диска (б) енергетичної установки:

1, 2 – деталі хвостовика цапфи; 3 – диск; 4 – проставка

Заготовки перед зварюванням проходили термічну обробку: гартування від 1130 °С з витримкою 11 год, охолодження в маслі, відпуск при 630 °С з витримкою 11 год, охолодження з піччю до 200 °С, далі – на повітрі. Перед складанням заготовки корпуса та зразки-свідки зне-

325

жирювали ацетоном, а зварювані кромки додатково протирали спиртом. Заготовки складали на план-шайбі зварювальної установки ЭЛУ-21, забезпечуючи радіальне та торцове биття не більше 0,1 мм, і закріплювали спеціальними прижимами.

Параметри зварювання вибирали з умови бездефектного стабільного проплавлення з паралельними стінками шва та задовільного формування шва із зовнішньої та зворотної сторін. Зварювання виконували горизонтальним променем із параметрами режиму: U = 60 кВ, І = 560 мА, vзв = 6 м/год при товщині 110 мм та U = 60 кВ, І = 370 мА, vзв = 12 м/год при товщині 60 мм. В обох випадках вакуум був 1,33·10–2 Па, робоча відстань Lр = 200 мм. Після зварювання для зняття зварювальних напружень та покращення структури зварних з'єднань проводили термічну обробку: відпуск при температурі 680 °С з витримкою 4 год, охолодження з піччю до 200 °С, далі – на повітрі.

Механічну обробку зовнішніх та внутрішніх поверхонь зварних з'єднань проводили до частоти Rа = 1,25. Якість зварних з'єднань перевіряли ультразвуковим контролем.

При виготовленні корпуса компресора більш складні проблеми виникають у зв'язку з необхідністю приварювання до корпуса фланців горизонтального рознімання, але вони також успішно вирішені застосуванням ЕПЗ [145].

Інший приклад успішного розв'язання задачі виготовлення передньої цапфи-диска показано на рис.3.20,б. Цапфа-диск виготовляється зварюванням чотирьох деталей, причому шов, що з'єднує хвостовик (зварені деталі 1 і 2) з диском 3, знаходиться у важкодоступному місці.

ЕПЗ використовується також при виготовленні ротора компресора газотурбінної установки. Загальний вигляд ротора компресора після ЕПЗ дисків показано на рис.3.21.

Зварювання виконане на установці У-570 з гарматою У-530С при на- веденніелектронногопроменянастикзадопомогоюприладу"Приціл-1".

326

ЕПЗ широке використову-
ється у всьому світі при вигото-
вленні деталей турбін, ракет,
автомобілів тощо завдяки висо-
кій якості та надійності з'єднань.
Наприклад, авіаційне підприємст-
во МТU (Мюнхен) за інформацій-	Рис.3.21. Загальний вигляд ротора ком-
ним проспектом фірми "Messer	пресора низького тиску після ЕПЗ

Griesheim GmbH" використовує електронний промінь з початку 60-х років минулого століття. Для ЕПЗ деталей з аустенітних, теплостійких та жароміцних сталей і сплавів титану, алюмінію, міді, а також інших матеріалів створене нове покоління електронно-променевого зварювального устаткування з робочою камерою об'ємом 11 м3. Використовуються сучасні системи числового програмного управління, які забезпечують автоматизацію процесу, контроль та запис із графічним зображенням усіх важливих параметрів, позицій променя та часу зварювання. Всі записи фіксуються в пам'яті машини. Зварюють спрямляючі апарати, ротори, вали, корпуси турбін та компресорів, камери згоряння тощо. На кожній деталі промінь гравірує реєстраційний номер, за допомогою якого можна будь-коли відтворити всі параметри режиму зварювання. Допускається відхилення прискорюючого напруження і сили струму променя до 1 %, сили струму фокусуючої лінзи – до 0,5 %. Разом з активним контролем якості зварювання в сучасному устаткуванні забезпечується ультразвуковий контроль з'єднань у процесі зварювання, наприклад при зварюванні роторів.

Наведені приклади свідчать про можливість вирішення складних проблем за допомогою ЕПЗ та про його перспективність. За формуванням та геометрією шва до ЕПЗ близьке зварювання лазерним променем.

327

3.2.Лазерне зварювання

3.2.1.Суть способу. Лазерне зварювання (laserschweissen, laserstrahlschweissen; laser welding, laser beam welding; лазерная сварка) –

зварювання, під час якого нагрівання та плавлення з'єднуваних заготовок здійснюють когерентним променем монохроматичного світла.

Для нагрівання матеріалів при зварюванні, паянні та інших технологічних процесах можна використовувати енергію світлових променів. Джерелами випромінювання можуть бути сонце, вугільна дуга, дугові газорозрядні лампи, лампи накалювання та оптичні квантові генератори (ОКГ). З лампових випромінювачів найбільш перспективні дугові неонові лампи надвисокого тиску [120]. Використовуються лампи з повітряним охолодженням типу ДКСШ та з водяним охолодженням типу ДКСР потужністю до 10 кВт. Тиск неону в непрацюючій лампі складає 106 Па (10 атм). Створено спеціалізовані установки для зварювання та паяння. Випромінювання ламп фокусується за допомогою еліпсоїдного відбивача та оптичних лінз. Коефіцієнт корисної дії установок складає 1…2 %. Щільність енергії невелика. У деяких установках вона досягає 2600 Вт/см2. Такі установки можна використовувати для зварювання металів малих товщин. Висока концентрація енергії шляхом фокусування світлового променя сонця або ламп неможлива через те, що випромінювана ними енергія розподіляється в широкому інтервалі довжин хвиль та широкому тілесному куті.

Високу щільність енергії та локальність нагрівання дозволяють отримати ОКГ або лазери. Лазер – термін, який утворюється з початкових букв англійських слів, що складають фразу: посилення світла шляхом використання стимульованого випромінювання (light ampflification by stimulated emission and radiation).

Випромінювання ОКГ характеризується рядом унікальних властивостей: високою монохроматичністю, значним ступенем когерент-

328

ності, великою потужністю та паралельністю руху. Ці властивості визначаються природою стимульованого випромінювання. Відомо (див. розд.1), що положення електронів в атомах визначається їхньою енергією. Перехід електрона з верхнього рівня на нижній супроводжується випромінюванням електромагнітної енергії відповідно до рівняння М. Планка. Оскільки атоми металів являють багаторівневу електронну систему, то при нагріванні металу в атомі відбувається велике число спонтанних (мимовільних) переходів електронів із верхніх рівнів на нижчі, при кожному з яких відбувається випромінювання з частотою ν1, ν2 і т. д. Ще більш різноманітним є спектр випромінювання, якщо речовина являє собою суміш атомів. Тому нагріті тіла дають випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль. В ОКГ стимулюються переходи тільки на чітко визначеному рівні, а тому їхнє випромінювання можна характеризувати однією частотою або довжиною хвилі. Монохроматичний промінь фокусується лінзою практично в точці на відміну від білого світлового променя, що фокусується на значній площі, утворюючи спектр унаслідок неоднакового заломлення склом лінзи світлових хвиль різної довжини.

З монохроматичністю випромінювання пов'язана його когерентність, тобто відповідність характеристик випромінювання, утвореного в один час різними рознесеними в просторі джерелами (просторова когерентність), або тим самим джерелом, але в різні моменти часу (часова когерентність). Чим точніше хвиля зберігає свою частоту, тим вищим є ступінь її когерентності в часі. Просторова когерентність обумовлює високу спрямованість випромінювання і можливість його фокусування за допомогою оптичних систем на ділянку дуже малих розмірів. Можна досягти діаметра світлової плями до декількох мікрометрів. Це дозволяє створити на поверхні, що опромінюється, при сучасній лазерній техніці щільність теплової потужності вище 108…109 Вт/см2, а цього достатньо не лише для плавлення, але і випаровування всіх відомих матеріалів.

329

В основі принципу дії квантових генераторів і підсилювачів лежить стимульоване випромінювання збуджених атомів, тобто атомів, у яких значна кількість електронів переведена на верхній рівень. Такий стан називають станом з інверсною заселеністю рівнів. Він може бути ство-

рений тим або іншим способом, наприклад, зовнішнім джерелом випромінювання з визначеною довжиною хвилі, потоком електронів або радіоактивних часток. Цей стан є нестабільним, і через деякий проміжок часу збуджений атом може спонтанно перейти в рівноважний стан та випромінювати енергію у вигляді фотонів. Поки атом знаходиться в збудженому стані, його можна стимулювати, тобто спонукати випускати енергію під впливом зовнішнього фотона. Таке випромінювання називається стимульованим і використовується в квантових підсилювачах. Стимульоване випромінювання підсилює випромінювання, що падає на атом. У цьому процесі хвиля, що випромінюється, в точності збігається за фазою з тією, під дією якої вона виникла. Квантові генератори перетворять електричну, теплову, хімічну енергії зовнішнього джерела в енергію монохроматичного когерентного променя. В ОКГ використовують різні потужні способи збудження атомів. Початок генерації випромінювання викликає довільний перехід одного або декількох збуджених електронів із верхнього рівня на нижній.

Для значного посилення стимульованого (індуктованого) випромінювання необхідно, щоб у випромінюванні брало участь якнайбільше число збуджених атомів. Цього можна досягти, помістивши збуджені атоми між двома дзеркалами. Випромінювання, що спрямоване перпендикулярно дзеркалам, багаторазово відбивається від них, проходить через збуджену речовину і підсилюється. Якщо одне з дзеркал є напівпрозорим, енергія вийде назовні у вигляді вузькоспрямованого потужного монохроматичного і когерентного променя. Цей процес зображено на рис.3.22.

Із рис.3.22 видно, що зростає амплітуда лише тих хвиль, які рухаються перпендикулярно дзеркалам. Отримавши значне посилення,

330

випромінювання покидає активну речовину. Промінь має вузьку спрямованість, оскільки через напівпрозоре дзеркало випромінюються лише ті хвилі, які змогли тисячі разів пройти активну речовину, не відхилившись від поздовжньої осі резонатора. Теоретично кут розходження променя θ визначається рівнянням

θ =1,22	λ	рад,
	d

де λ – довжина хвилі променя; d – діаметр торця активної речовини.

Рис.3.22. Принцип формування вузькоспрямованого монохроматичного і когерентного променя в твердотільних лазерах:

а – два атоми (чорні кружочки) активної речовини знаходяться в збудженому стані; б – електромагнітне поле зовнішнього джерела частину атомів активної речовини переводить у збуджений стан; в – частина випромінювання збуджених атомів перпендикулярна дзеркалам; г, д – лавиноподібне посилення стимульованого випромінювання після його багаторазового відбиття від дзеркал; е – вихід стимульованоговипромінювання через напів-

прозоре дзеркало

Лазери можуть бути твердотільними, рідинними або газовими. У твердотільному лазері як випромінювач використовуються кристалічні або аморфні речовини, у котрі вводяться домішки певних оптичноактивних елементів. Лазерне випромінювання обумовлене зміною енергетичних станів електронів домішкових атомів. Основна речовина (матриця) безпосередньо участі в генеруванні випромінювання не бере, але побічно впливає на оптичні характеристики всього середови-

331

ща. Оптичноактивна речовина вводиться в матрицю в невеликих кількостях. Випромінювачем може бути рубін, силікатне або фосфатне скло з неодимом, ітрій-алюмінієвий або алюмонатрієвий гранат з неодимом тощо.

Енергетичну схему квантового генератора на кристалі рубіну показано на рис.3.23,а, а оптичну – на рис.3.23,б.

а

б

Рис.3.23. Енергетична (а) та оптична (б) схеми квантового генератора на кристалі рубіну:

1 – зовнішнє джерело збудження атомів (ксенонова лампа); 2 – дзеркала резонатора; 3 – стержень з оптичноактивною речовиною; 4 – система фокусування випромінювання та спостереження за місцем зварювання; 5 – циліндричне дзеркало освітлювача

332

На рис.3.23,а показані основний стан атомів (І), перехід електронів на верхній рівень (ІІ), метастабільний збуджений атом (ІІІ) та стимульоване випромінювання з характеристичною довжиною хвилі (IV).

Рубін являє собою кристал оксиду алюмінію (А12О3), у якому невелика кількість іонів алюмінію заміщена іонами хрому Cr+++(0,03…0,05 %). Такий рубін має блідо-рожевий колір. При вмісті 0,5 % хрому він набуває вишневого кольору. Кристал рубіну обробляють у вигляді стерженька, діаметр і довжина якого визначають потужність випромінювання. Його торці полірують, забезпечують оптично плоскі та паралельні поверхні, які піддають срібленню для відбивання променя. Вихідний кінець кристала є напівпрозорим. Відбивні дзеркала можуть бути виготовлені окремо, і між ними встановлюють рубіновий стержень. Дзеркала та оптичноактивне середовище утворять резонатор ОКГ. Рубіновий кристал розміщують поблизу ксенонової газорозрядної лампи, яка служить джерелом широкополосного світла для оптичного накачування рубіну.

Іони хрому, що знаходяться в основному стані І, поглинаючи фотони (хвилясті стрілки), збуджуються, і їхні електрони переходять на вищий рівень 3 у стан ІІ. Для цього з широкої смуги випромінювання лампи необхідне лише випромінювання з довжиною хвилі 5600 Å. На верхньому рівні електрони можуть знаходитися (час "життя" tж) лише 2·10–7 с. Потім вони переходять на рівень 2. При цьому енергія не випромінюється, а віддається кристалічній гратці. На рівні 2 електрони можуть знаходитись 5·10–3 с. Оскільки час перебування електронів на рівні 2 майже на 4 порядки більший, ніж на рівні 3, то через деякий час усі електрони рівня 3 накопичуються на рівні 2. Так виникає інверсне заселення електронами рівня 2 і виконується перша умова стимульованого випромінювання. Після цього достатньо випромінювання від переходу на нижній основний рівень одного з електронів, щоб почалося лавиноподібне випромінювання з довжиною хвилі близько 0,7 мкм. У дійсності рубіновий лазер має випромінювання з довжиною хвилі

333

λ1 = 0,6943 мкм та λ2 = 0,6929 мкм, оскільки в твердому тілі відбувається розщеплення рівнів (див. розд.1).

Потім процес повторюється. Випромінювання, багаторазово відбиваючись від дзеркал, змусить випромінюватися всі іони активного елемента.

Після багаторазового посилення в резонаторі промінь виходить із резонатора через напівпрозоре дзеркало, збирається лінзою і фокусується на виробі (рис.3.23,б).

Узварювальних установках застосовують ОКГ, що випромінюють імпульси з енергією 10…50 Дж і тривалістю від 1 до 10 мс. К.к.д. рубінових лазерів не перевищує 1 %.

Принцип дії, параметри і можливості лазерів на рубіні і склі з неодимом приблизно однакові. Певна різниця між ними обумовлена відмінністю у властивостях матриць та у схемах генерації випромінювання іонами хрому і неодиму. Концентрація активних іонів неодиму

всклі складає 2…6 %, що значно більше, ніж у рубіні, і забезпечує велику питому енергію випромінювання. К.к.д. лазерів на склі з неодимом досягає 2…3 %. Найбільш високий к.к.д мають напівпровідникові лазери, що використовують енергію електричного струму, який протікає через область р-п переходу. Їх к.к.д. досягає 70 %, однак на малих вихідних потужностях.

Урідинних лазерах як активні середовища використовуються розчини неорганічних з'єднань рідкоземельних елементів (переважно неодиму) або розчини органічних речовин.

Угазових лазерах активним середовищем є газ, суміш газів або суміш газів з парами металу. Особливістю активного газового середовища є його висока оптична однорідність, що дозволяє застосовувати великі оптичні резонатори. При відповідному виборі активного середовища в газових лазерах можна здійснити генерацію випромінювання в будь-якій частині спектра. Важлива перевага газових лазерів –

334